JP2016156818A - 位相面変調センサと、製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサと製造方法が提供される。
【解決手段】センサは少なくとも１つの光導波路、及び光反射器を含む。光反射器は、少なくとも１つの光導波路に光学的に連結され、第１の部分と第２の部分とを含む。第１の部分は、光の第１の部分を反射して、少なくとも１つの光導波路へと返すように構成される。第２の部分は、光の第２の部分を反射して、少なくとも１つの光導波路へと返すように構成される。光の反射される第２の部分は、位相に関して、光反射器の第２の部分が、摂動が存在しない平衡位置にあるときのπの整数倍に実質的に等しくない位相差で光の反射される第１の部分と異なる。
【選択図】図１Ｄ

Description

［関連出願の相互参照］ 本出願は、２０１５年２月２３日に出願された米国仮出願第６２／１１９，６４７号について優先権の利益を主張し、同仮出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本出願は、概して複数のセンサシステムに関し、より具体的には光ファイバと互換性のある複数の音響センサシステムに関する。

［関連技術の説明］ 膜ベースの複数のファイバ音響センサにおいて、歪むことが可能な膜が、入射する音波により引き起こされた微小振動を光学的な変調へと変換すべくトランスデューサとして使用される。例えば、Ｍ．Ｊ．Ｇａｎｄｅｒ、Ｗ．Ｎ．ＭａｃＰｈｅｒｓｏｎ、Ｊ．Ｓ．Ｂａｒｔｏｎ、Ｒ．Ｌ．Ｒｅｕｂｅｎ、Ｊ．Ｄ．Ｃ．Ｊｏｎｅｓ、Ｒ．Ｓｔｅｖｅｎｓ、Ｋ．Ｓ．Ｃｈａｎａ、Ｓ．Ｊ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ、及び、Ｔ．Ｖ．Ｊｏｎｅｓ著、"Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"ＩＥＥＥ．Ｓｅｎｓ．Ｊ．３，１０２−１０７（２００３）；Ｌ．Ｈ．Ｃｈｅｎ、Ｃ．Ｃ．Ｃｈａｎ、Ｗ．Ｙｕａｎ、Ｓ．Ｋ．Ｇｏｈ、及び、Ｊ．Ｓｕｎ著、"Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈｉｔｏｓａｎ ｄｉａｐｈｒａｇｍ−ｂａｓｅｄ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ，"Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ Ｐｈｙｓ．１６３，４２−４７（２０１０）；Ｊ．Ａ．Ｂｕｃａｒｏ、Ｎ．Ｌａｇａｋｏｓ、及び、Ｂ．Ｈ．Ｈｏｕｓｔｏｎ著、"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ， ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ｌｏｗ−ｃｏｓｔ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ，"Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．１１８、１４０６−１４１３（２００５）；Ｆ．Ｘｕ、Ｊ．Ｓｈｉ、Ｋ．Ｇｏｎｇ、Ｈ．Ｌｉ、Ｒ．Ｈｕｉ、及び、Ｂ．Ｙｕ著、"Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂｅｓｅｄ ｏｎ ｌａｒｇｅ−ａｒｅａ ｎａｎｏｌａｙｅｒ ｓｉｌｖｅｒ ｄｉａｐｈｒａｇｍ，"Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３９、２８３８−４０（２０１４）；Ｓ．Ｅ．Ｕ．Ｌｉｍａ、Ｏ．Ｆｒａｚaｏ、Ｒ．Ｇ．Ｆａｒｉａｓ、Ｆ．Ｍ．Ａｒａuｊｏ、Ｌ．Ａ．Ｆｅｒｒｅｉｒａ、Ｖ．Ｍｉｒａｎｄａ、及び、Ｌ．Ｓａｎｔｏｓ著、"Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ａｎｄ ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｆｉｂｅｒ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄｓ，"Ｍｉｃｒｏｗ．Ｌｅｔｔ．５２、１１２９−１１３４（２０１０）を参照。

これらのデバイスは、コンパクトであり、高感度と、低いノイズとを示し、大きな複数のアレイへと容易に光学的に多重化されるので、興味深い。高感度は、一部において、極僅かな圧力でさえ、測定可能な量だけ歪む、サブミクロンの複数の振動板の高い弾性コンプライアンスから生じる（例えば、４５０ｎｍの厚さの、一辺が３７０μｍの正方形の振動板について、約９０ｎｍ／Ｐａ。例えば、Ｗ．Ｊｏ、Ｏ．Ｃ．Ａｋｋａｙａ、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ、及びＭ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ著、"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｆｉｂｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ，"Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９、７８５−７９２（２０１３）を参照。）。特有の一式の複数の特徴のため、そのような複数のデバイスは、地震研究（例えば、Ｇ．Ｇａｇｌｉａｒｄｉ、Ｍ．Ｓａｌｚａ、Ｇ．Ｄｅ．Ｎａｔａｌｅ、及びＥ．Ｂｏｓｃｈｉ著、"Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｏｆ ａ ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ−ｇｒａｔｉｎｇ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９、０８５３０６（２００８）を参照）から、大規模な構造のモニタリング（例えば、Ｍ．Ｍａｊｕｍｄｅｒ、Ｔ．Ｋ．Ｇａｎｇｏｐａｄｈｙａｙ、Ａ．Ｋ．Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ、Ｋ．Ｄａｓｇｕｐｔａ、及び、Ｋ．Ｂｈａｔｔａｃｈａｒｙａ著、"Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕａｌ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ−Ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ Ｐｈｙｓ．１４７、１５０−１６４（２００８）を参照）、水中探査（例えば、Ｄ．Ｈｉｌｌ及びＰ．Ｎａｓｈ著、"Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｔｔｏｒａｌ，"Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｐｏｒｔ ａｎｄ Ｈａｒｂｏｒ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ内の記事、Ｍ．Ｊ．ＤｅＷｅｅｒｔ及びＴ．Ｔ．Ｓａｉｔｏ編、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２００５，ｐｐ．１−１０を参照）、ＭＲＩに準拠したマイクロフォン（例えば、Ｍ．Ｓ．ＮｅｓｓＡｉｖｅｒ、Ｍ．Ｓｔｏｎｅ、Ｖ．Ｐａｒｔｈａｓａｒａｔｈｙ、Ｙ．Ｋａｈａｎａ、Ａ．Ｐａｒｉｔｓｋｙ著、"Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｐｅｅｃｈ ｄｕｒｉｎｇ ｔａｇｇｅｄ ｃｉｎｅ−ＭＲＩ ｓｔｕｄｉｅｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ，"Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｒｅｓｏｎ．Ｉｍａｇｉｎｇ ２３，９２−７（２００６）を参照）、光音響イメージング（例えば、Ｐ．Ｃ．Ｂｅａｒｄ、Ｆ．Ｐeｒｅｎｎeｓ、Ｅ．Ｄｒａｇｕｉｏｔｉ及びＴ．Ｎ．Ｍｉｌｌｓ著、"Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ――ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｂｅ，"Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２３，１２３５（１９９８）を参照）、微小な力の複数の測定（例えば、Ｗ．Ｊｏ及びＭ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ著、"Ｐｉｃｏｎｅｗｔｏｎ ｆｏｒｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ａ ｎａｎｏｍｅｔｒｉｃ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉａｐｈｒａｇｍ，"Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３９，４５３３（２０１４）を参照）、原子間力顕微鏡検査（例えば、Ｄ．Ｒｕｇａｒ、Ｈ．Ｊ．Ｍａｍｉｎ及びＰ．Ｇｕｅｔｈｎｅｒ著、"Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｏｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，"Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５５，２５８８（１９８９）を参照）、及び複数の生化学センサ（例えば、Ｘ．−Ｄ．Ｗａｎｇ及びＯ．Ｓ．Ｗｏｌｆｂｅｉｓ著、"Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ（２００８−２０１２），"Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．８５，４８７−５０８（２０１３）を参照）まで、数多くの重要な応用について研究、及び、開発がされている。これらの応用のほとんどは非常に低い複数の最小検出可能圧力（ＭＤＰ）を利用する。例えば、水中の石油及びガス探査について、検出される圧力は典型的には、１００Ｈｚから２０ｋＨｚの周波数に渡り、１０から２００μＰａ／√Ｈｚの範囲である。

特定の複数の実施形態において、少なくとも１つの光導波路及び光反射器を有するセンサが提供される。少なくとも１つの光導波路は一方向に光を放出するように構成される。光反射器は、少なくとも１つの光導波路に光学的に連結され、光反射器は、光の少なくとも一部を反射するように構成される。光反射器は、第１の部分と第２の部分とを備える。光反射器の第１の部分は、光の第１の部分を反射して、少なくとも１つの光導波路へと返すように構成される。光反射器の第２の部分は、光の第２の部分を反射して、少なくとも１つの光導波路へと返すように構成される。光反射器の第２の部分は、光反射器の第１の部分に対して移動することにより、摂動に応答する。光の反射される第２の部分は、光の反射される第１の部分とは位相が、摂動が存在しなく光反射器の第２の部分が平衡位置にあるときのπの整数倍に実質的に等しくない位相差で異なる。

特定の複数の実施形態において、センサの製造方法が提供される。方法は、第１のチューブの内部にフェルールを有する、第１のチューブを提供する段階を備える。フェルールは、光線を放出するように構成される光導波路を有する。方法は、第１のチューブへと少なくとも１つのレンズを挿入する段階を、更に備える。少なくとも１つのレンズの一部は、外側に、第１のチューブの端部を過ぎて延在する。少なくとも１つのレンズは、光導波路から放出される光線を受信するように構成される。方法は、第２のチューブの第１の端部を、第１のチューブの端部を過ぎて外側に延在する少なくとも１つのレンズの一部へと固着する段階を、更に備える。方法は、光反射器を第２のチューブの第２の端部の表面へと固着する段階を、更に備える。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する例示の光センサを概略的に図示する。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する光反射器の断面を概略的に図示する。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する複数の入射ビーム、及び、複数の反射ビームの例示の複数の位相面を概略的に図示する。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する別の例示の光センサを概略的に図示する。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する例示の光反射器を概略的に図示する。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する別の例示の光反射器を概略的に図示する。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する反射器の例示の製造プロセスを概略的に図示する。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する例示の反射器を概略的に図示する。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態に関する例示の位相面変調（ＰＦＭ）センサを概略的に図示する。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態に関する例示のＰＦＭセンサの写真である。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態に関する例示のＰＦＭセンサについての測定及び計算された複数の感度スペクトルのプロットである。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態に関する例示のＰＦＭセンサの様々なノイズの寄与のプロットである。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態に関する例示のＰＦＭセンサの測定されたセンサノイズのスペクトルのプロットである。

以前に開発されたＦＰベースのセンサの測定されたＭＤＰスペクトルと比較した、本明細書で説明される特定の複数の実施形態に関する例示のＰＦＭセンサのＭＤＰスペクトルのプロットである。

数値計算される変位感度のプロットである。 窪みの深さｈ_０、及び、比κ＝ｒ_ｄｉａ／ｗ_ｃｏｌの変動によりもたらされる解析的に計算される変位感度のプロットである。ここでｒ_ｄｉａ及びｗ_ｃｏｌは、それぞれ、１５５０ｎｍの動作波長における、センサ振動板の半径、及び、コリメートビームウエストである。

固定値κ＝０．６４についての窪みの深さｈ_０の関数としての静止した静的な状態における結合係数（η_０）を図示する。

固定値κ＝０．６４についての窪みの深さｈ_０の関数としての変位感度σを図示し、ｈ_０＝λ／４で感度はゼロになる。

ｈ_０＝λ／８及びκ＝０．６４についての波長λの関数としての変位感度σを図示する。

膜ベースの複数の光音響センサにおいて実証されたいくつかの種類の光学的計測値で、最も高感度のものは、光ファイバの頂点に構成されるミニチュア干渉計ファブリ・ペロー型（ＦＰ）センサ（例えば、Ｗ．Ｊｏ、Ｏ．Ｃ．Ａｋｋａｙａ、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ、及び、Ｍ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ著、"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｆｉｂｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ，"Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９，７８５−７９２（２０１３）；Ｏ．Ｋｉｌｉｃ、Ｍ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ、Ｇ．Ｓ．Ｋｉｎｏ、及び、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ著、"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ｏｃｅａｎ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，"Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．１２９，１８３７−１８５０（２０１１）を参照）である。干渉計ＦＰセンサは、任意の数の手段により反射するように作成された歪むことが可能な振動板、及び、シングルモードファイバの対向する反射端を備える。振動板は音波にさらされたとき、振動し、このことは複数の反射器の間の距離を変調させ、従って、ＦＰセンサの反射率を変調させる。この反射率の変調は、ファイバを通じて送り出され、収集されるレーザビームで測定され得る。これらの複数のデバイスは、前述の薄い複数の振動板の弾性コンプライアンスのため、及び、多重波干渉計として、そのような干渉計ＦＰセンサは極小の複数の変位（例えば、約２００ｆｍ／√Ｈｚ）を測定し得るため、非常に高感度である。従って、小さい複数の最小検出可能圧力（ＭＤＰ）が、弾性コンプライアンスの高い複数の振動板（例えば、大きな半径と、薄い値の厚さ）を使用し、大きなＦＰフィネス（例えば、高いミラーの反射率）を使用することで実現され得る。

干渉計ＦＰセンサの様々な実装が報告されているが、ほとんどの文献では非定量的感度、又は、例えば、Ｖ／Ｐａ（これは、恣意的に大きくされ得る）で表される感度のいずれかを言及しており（例えば、Ｌ．Ｈ．Ｃｈｅｎ、Ｃ．Ｃ．Ｃｈａｎ、Ｗ．Ｙｕａｎ、Ｓ．Ｋ．Ｇｏｈ、及び、Ｊ．Ｓｕｎ著、"Ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈｉｔｏｓａｎ ｄｉａｐｈｒａｇｍ−ｂａｓｅｄ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒ，"Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ Ｐｈｙｓ．１６３，４２−４７（２０１０）；Ｗ．Ｗａｎｇ、Ｎ．Ｗｕ、Ｙ．Ｔｉａｎ、Ｃ．Ｎｉｅｚｒｅｃｋｉ、及び、Ｘ．Ｗａｎｇ著"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ａｌｌ−ｓｉｌｉｃａ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｕｎｉｆｏｒｍ ｄｉａｐｈｒａｇｍ．，"Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １８，９００６−１４（２０１０）；Ｓ．Ｅ．Ｕ．Ｌｉｍａ、Ｏ．Ｆｒａｚaｏ、Ｒ．Ｇ．Ｆａｒｉａｓ、Ｆ．Ｍ．Ａｒａuｊｏ、Ｌ．Ａ．Ｆｅｒｒｅｉｒａ、Ｖ．Ｍｉｒａｎｄａ、及び、Ｌ．Ｓａｎｔｏｓ著、"Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ａｎｄ ｅｘｔｒｉｎｓｉｃ ｆｉｂｅｒ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄｓ，"Ｍｉｃｒｏｗ．Ｌｅｔｔ．５２、１１２９−１１３４（２０１０）を参照）、このことは比較を不可能にしている。 Ｇａｎｄｅｒ（Ｍ．Ｊ．Ｇａｎｄｅｒ、Ｗ．Ｎ．ＭａｃＰｈｅｒｓｏｎ、Ｊ．Ｓ．Ｂａｒｔｏｎ、Ｒ．Ｌ．Ｒｅｕｂｅｎ、Ｊ．Ｄ．Ｃ．Ｊｏｎｅｓ、Ｒ．Ｓｔｅｖｅｎｓ、Ｋ．Ｓ．Ｃｈａｎａ、Ｓ．Ｊ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ、及び、Ｔ．Ｖ．Ｊｏｎｅｓ著、"Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，"ＩＥＥＥ．Ｓｅｎｓ．Ｊ．３，１０２−１０７（２００３））は、微細加工シリコン振動板からのフレネル反射と、シングルモードファイバの切断端部とを使用してＦＰセンサを形成し、９００ｍＰａ／√ＨｚのＭＤＰを実現した。近年では、我々のグループは（１）複数の振動板の弾性コンプライアンスを高めることにより（２）（金、又は、多層の誘電体によるコーティングにより）ファイバミラーの反射率を増加することによって、ＦＰフィネスを高めることにより、及び、（３）振動板中にフォトニック結晶を刻み込むことにより振動板の反射率を増加することにより、数桁、この数字を改善した。例えば、Ｏ．Ｋｉｌｉｃ、Ｍ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ、Ｇ．Ｓ．Ｋｉｎｏ、及び、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ著、"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ｏｃｅａｎ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，"Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．１２９，１８３７−１８５０（２０１１）；Ｏ．Ｃ．Ａｋｋａｙａ、Ｍ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ、Ｇ．Ｓ．Ｋｉｎｏ、及び、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ著、"Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｓｔａｂｌｅ ｈｉｇｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ，"Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔ．２１，１３４７−１３５６（２０１２）；Ｗ．Ｊｏ、Ｏ．Ｃ．Ａｋｋａｙａ、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ、及び、Ｍ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ著、"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｆｉｂｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ，"Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９，７８５−７９２（２０１３）参照。これらの技術を使用して報告されている空気中で最も低い平均ＭＤＰは、１ｋＨｚと３０ｋＨｚとの間で、約２．６Ｐａ／√Ｈｚである。比較すると、ハイエンドの複数の商業用の容量性マイクは、比較可能な範囲に渡って、約０．２μＰａ／√ＨｚのＭＤＰを有する（例えば、Ｂｒuｅｌ及びＫｊａｅｒ社の「Ｔｙｐｅ ４１７９」、ｗｗｗ．ｂｋｓｖ．ｃｏｍ／Ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ／ａｃｏｕｓｔｉｃ／ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ−ｃａｒｔｒｉｄｇｅｓ／４１７９ 参照）。また、これらの複数のファイバセンサは１２μＰａ／√Ｈｚの低さのＭＤＰで水中で動作し、これは、シーステート０より低い値で、圧電性ベースの複数の業務用ハイドロフォンのＭＤＰと同等である（例えば、Ｔｅｌｅｄｙｎｅ Ｒｅａｓｏｎ社、「ＴＣ４０３２」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｅｌｅｄｙｎｅ−ｒｅｓｏｎ．ｃｏｍ／ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｓ／ｔｃ−４０３２／ 参照）。

それらは、極めて優れた性能を示すが、以前に開発された複数のＦＰベースのセンサは、ファイバと振動板とを共通の支持部へ固定すべく、ケイ酸塩の接合をする複数の段階を有し、製造するのに時間が掛かり得る。最高の感度を実現すべく、それらはまた、ＦＰセンサの共鳴波長の近傍の非常に狭い範囲（例えば、±０．５ｎｍ）内でのレーザの波長の調整か、組み立て中のキャビティ長の高精度での調整かのいずれかを含む。再現可能なキャビティ長（例えば、波長多重化センサアレイについて）を実現することは、あまり多くない数のセンサについて可能であるが、非常に大きな複数のアレイについては、扱いにくくなり得る。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態は、この分野において新たな物理的原理を利用し、本明細書で概して位相面変調（ＰＦＭ）センサと呼ばれる、新たな種類のファイバセンサの形式での解決手段を提供する。自由キャリア分散を介した誘導位相変化を利用した複数の光変調器（例えば、Ｂ．Ｒ．Ｈｅｍｅｎｗａｙ、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ、及び、Ｄ．Ｍ．Ｂｌｏｏｍ著、"Ａｌｌ−ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ １．３μｍ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ，"Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５５，３４９（１９８９）を参照）と対照的に、本明細書で説明される特定の複数の実施形態は、複数のＰＦＭセンサを提供する。これらは、以前に開発されたＦＰベースの複数のセンサと比較して、はるかにより容易かつ、より迅速に組み立てられ、はるかにより広い、再現可能なクリーンルームにセットされた動作波長を提供し、複数の同一の振動板の寸法に対して、比較可能な複数のＭＤＰを有する。

図１Ａは、本明細書で説明される特定の複数の実施形態による例示のセンサ１０を概略的に図示する。例示のセンサ１０は、複数の音圧波の感知の文脈において本明細書中で説明される一方、本明細書で説明される様々な実施形態が、より一般的には、互いに対しずらされた２以上の部分を含むことにより、及び、複数の摂動の１以上の態様（例えば、大きさ、周波数、波形）に関する情報を示す１以上の信号を提供することにより、選択された摂動（例えば、複数の音圧波、複数の磁場、複数の電場、複数の加速度、その他の複数の力）に応答する変位センサを有するものとして説明され得る。

センサ１０は、方向２４に光２２を放出するよう構成される少なくとも１つの光導波路２０を有し得る。更に、センサ１０は、少なくとも１つの光導波路２０に光学的に連結された光反射器３０を有する。光反射器３０は、光２２の少なくとも一部を反射するよう構成され、光反射器３０の第１の部分３２と、光反射器３０の第２の部分３４とを、含む。光反射器３０の第１の部分３２（例えば、第１の表面）は、光の第１の部分を反射して、少なくとも１つの光導波路２０へと返すように構成される。光反射器３０の第２の部分３４（例えば、光反射器３０の第１の部分３２の第１の表面に平行な第２の表面）は、光の第２の部分を反射して、少なくとも１つの光導波路２０へと返すように構成される。光反射器３０の第２の部分３４は、光反射器３０の第１の部分３２に対して移動することにより、摂動（例えば、センサ１０に入射する圧力波）に応答する。光反射器３０の第２の部分３４は、方向２４に沿った光反射器３０の第１の部分３２からオフセットされており、その結果、光の反射される第２の部分は、光の反射される第１の部分は位相が、摂動が存在しない第２の表面３４が平衡位置にあるときのπの整数倍に実質的に等しくない位相差分異なる。例えば、最大の感度は、位相差がπ／２の奇数倍（例えば、±π／２、±３π／２、±５／２）に実質的に等しい特定の複数の実施形態で実現され得る。本明細書で使用されるように、位相差を説明する場合に使用される「実質的に等しい」という表現は、言及される値の±１０％以内（例えば、言及される値の±５％以内、言及される値の±２％以内）の位相差であることを指す。

特定の複数の実施形態において、位相差は、以下の複数の範囲のうちの少なくとも１つの範囲の大きさを有する。実質的に０より大きく実質的にπより小さい範囲、実質的にπより大きく実質的に２πより小さい範囲、及び、実質的に２πより大きく実質的に３πより小さい範囲である。特定の複数の実施形態において、位相差は、以下の複数の範囲のうちの少なくとも１つの大きさを有する。すなわち、実質的に０より大きくπ／２より小さいか等しい範囲、π／２より大きいか等しく実質的にπより小さい範囲、実質的にπより大きく３π／２より小さいか等しい範囲、３π／２より大きいか等しく実質的に２πより小さい範囲、実質的に２πより大きく５π／２より小さいか等しい範囲、５π／２より大きいか等しく実質的に３πより小さい範囲である。本明細書で使用されるように、位相差の大きさの範囲を説明する場合に使用される「実質的により大きい」という表現は、言及される値の１０２％より大きい（例えば、言及される値の１０５％より大きい、言及される値の１１０％より大きい）位相差の大きさを示す。本明細書で使用されるように、位相差の大きさの範囲を説明する場合に使用されるものとしての表現「実質的により小さい」は、言及される値の９８％より小さい（例えば、言及される値の９５％より小さい場合や、言及される値の９０％より小さい場合）位相差の大きさを示す。本明細書で使用されるように、位相差の大きさの範囲を説明する場合に使用されるものとしての表現「実質的に０より大きい」は、π／８より大きい位相差の大きさを示す。特定の複数の実施形態において、位相差は、センサ１０が使用されている複数の目的のために適切な感度の量を提供すべく選択される。

特定の複数の実施形態において、少なくとも１つの光導波路２０は光ファイバ２５を有する。例えば、図１Ｄに概略的に図示されるように、少なくとも１つのレーザ４０は、少なくとも１つの波長を有する光を生成し得、少なくとも１つの光導波路２０（例えば、シングルモード光ファイバ２５を有する）に少なくとも１つの光カプラ４２（例えば、光サーキュレータ）を介して光学的に連結され得て、少なくとも１つの光導波路２０の入力部にＰ_ｉｎのパワーレベルを有する光を提供し得る。更に、少なくとも１つの光カプラ４２は、光分析装置４４（例えば、動的信号分析装置）に光学的に連結され得て、その結果、少なくとも１つの光導波路２０の入力部から放出されるＰ_ｏｕｔのパワーレベルを有する光が、光分析装置４４に提供され得る。図１Ｄに概略的に図示される特定の複数の実施形態において、光分析装置４４は、少なくとも１つの光導波路２０から受信される光を増幅させるよう構成される光増幅器４６を有する。特定の複数の実施形態において、少なくとも１つの光導波路２０は、光ファイバ２５を有さず、少なくとも１つの光導波路２０を使用して、複数の入力された光信号を光反射器３０へ伝達し、光反射器３０から反射された複数の光信号を（例えば、光分析装置４４へ）伝達する集積光回路の部分であり得る。

特定の複数の実施形態において、少なくとも１つの光導波路２０は、少なくとも１つのレンズ２６（例えば、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ）を更に有し得、これは光２２の空間的構成を変化させる。少なくとも１つのレンズ２６は、光ファイバ２５からの光２２を受信し、光を光共振器３０へ送信するよう構成され得る。例えば、光ファイバ２５は、光２２を光ファイバ２５の出力部からの光線として送信し得て、少なくとも１つのレンズ２６は、光ファイバ２５からの光２２をコリメートし、光の反射される第１及び第２の部分を光ファイバ２５へ返すように構成され得る。特定の複数の実施形態において、光ファイバ２５及び少なくとも１つのレンズ２６は、互いに一体的であって、単一の光導波路２０、あるいは、一体型の光導波路２０を形成する。例えば、少なくとも１つのレンズ２６は、機械的に連結、あるいは別のやり方で、光ファイバ２５の端部に固着され得る。特定の他の複数の実施形態において、少なくとも１つのレンズ２６は、光ファイバ２５から分離される（例えば、一体的ではなく、単一の構造を形成しない）。

光反射器３０（例えば、半導体ウェハを有する）は、少なくとも１つの光導波路２０から短い、非臨界距離（例えば、数ｍｍ）に配置され得る。特定の複数の実施形態において、光反射器３０は、少なくとも以下の材料の一つを有する。シリコン、シリコン窒化物、シリコン炭化物、グラフェンである。反射器３０は、光を反射する第１の部分３２を有し得る。例えば、第１の部分３２は、光を反射する第１の表面（例えば、ウェハや金属層の光学品質平面）、又は、光を反射する構造（例えば、フォトニック結晶構造）を有する。

更に、反射器３０は、第１の部分３２により少なくとも部分的に画定される、領域３６を有する。例えば、領域３６は、図１Ｂに概略的に図示されるように、ウェハへと微細加工された窪み（例えば、λ／８の深さ、及び、平坦な底を含む）を有する。特定の複数の実施形態において、窪みは、第１の部分３２の第１の表面に平行な表面内において、円形、四角形、直線で囲まれた形状、三角形、又は、別の形状の境界線を有し得る。特定の複数の実施形態において、窪みの境界線は、第１の部分３２に囲まれ得、又は、第１の部分３２の第１の表面により、１、２、又はそれより多くの辺で画定され得る。

反射器３０の第２の部分３４は、領域３６に（例えば、窪みの底に）振動板を有し得る。振動板３８は、振動板３８を囲むウェハの部分より著しく薄くなり得て（例えば、数１００ナノメートルの差で）、その結果、振動板３８は、摂動に応答して弾性的に可動し、及び／又は、弾性的に変形可能である。特定の複数の実施形態において、振動板３８は、第１の部分３２の第１の表面に平行な、円形、四角形、直線で囲まれた形状、三角形、又は、別の形状を有する。振動板３８は、領域３６に（例えば窪みの底に）反射性の第２の表面、又は、領域３６に（例えば窪みの底の表面より下に）下部の反射性の層を有する。

特定の複数の実施形態において、コリメートされた光２２の第１の部分が、反射器３０の第１の部分３２に入射する一方、光２２の第２の部分が、反射器３０の第２の部分３４（例えば、窪み内の振動板３８）に入射するよう、少なくとも１つの光導波路２０からの光２２は配置され得て、かつ、幅を有し得る。特定の複数の実施形態において、光２２の第１の部分の光のパワーの、光２２の第２の部分の光のパワーに対する比は、０．３と０．７との間の範囲、０．４と０．６との間の範囲、又は、０．４５と０．５５との間の範囲である。

特定の複数の実施形態において、図１Ａ、１Ｂ、及び図１Ｄに概略的に図示されるように、光２２が第２の部分３４の全体を照射（例えば、窪みの底の領域全体を照射）し、反射器３０の第１の部分３２の少なくとも一部を照射するように、光２２は窪みの幅より大きい幅を有し得て、配置され得る。例えば、光２２は窪みの中心に合わせられ、光２２の第１の部分（例えば、外側部分）は、窪みの外側で反射器の第１の部分３２に入射し得て、一方で、光２２の第２の部分（例えば、光２２の内側又は中央の部分）は、反射器３０の第２の部分３４（例えば、窪み内の振動板３８）に入射する。特定の他の複数の実施形態において、光２２は、窪みの幅より小さいか、窪みの幅に等しい幅を有し得て、光２２の第１の部分が窪みの外部の反射器３０の第１の部分３２に入射し、一方で、光２２の第２の部分が反射器３０の第２の部分３４（例えば、窪み中の振動板３８）に入射するよう、光２２が窪みの周囲の少なくとも一部を照射するよう、配置され得る。

反射器３０の第１の部分３２及び反射器３０の第２の部分３４から反射される光は、光の反射ビームを形成し得、これは少なくとも１つの光導波路２０に（例えば、少なくとも１つのレンズ２６を介して）返される。特定の複数の実施形態において、光２２の反射される第１の部分の光のパワーの光２２の反射される第２の部分の光のパワーに対する比は、０．３と０．７との間の範囲、０．４と０．６との間の範囲、又は、０．４５と０．５５との間の範囲である。

特定の複数の実施形態において、窪みの深さ（例えば、光の波長の１／８、これはλ／８として表され得る）は、図１Ｃに概略的に図示されるように、摂動の存在しない場合（例えば、振動板３８の平衡位置）において反射後に、２つの反射される部分が直交するように選択され得る。反射器３０は、光２２の方向２４に対し垂直に方向付けられ得て、その結果、反射ビームは、少なくとも１つのレンズ２６（例えば、ＧＲＩＮレンズ）を通じて送り返され、少なくとも１つの光導波路２０の光ファイバ２５のコアに集中させられる。反射ビームの内側部分と外側部分との間の意図的な位相の不整合のため、反射ビームが、少なくとも１つの光導波路２０へ（例えば、少なくとも１つの光導波路２０の出力部において、少なくとも１つのレンズ２６を介して光ファイバ２５のコアへ）集中させられて返された後で、それは、シングルモードファイバコア内へとよく結合しない（例えば、Ｐ_ｏｕｔ／Ｐ_ｉｎは約５０％に等しい）。少なくとも１つの光導波路２０の入力ポートから返ってくる光のパワー（例えば、光分析装置４４により測定される）は、したがって、低くなり得る。

摂動（例えば、静的な音圧）が、反射器３０に入射したとき、振動板３８は、反射器３０のより厚い外側部分に対して、変位させられ得る。振動板３８の平衡位置からのこの変位は、反射ビームの内側部分と外側部分との間の相対位相を変化させ得る。これは、図１Ｄに概略的に図示されるように、少なくとも１つの光導波路２０への（例えば、光ファイバ２５のコアへと）反射ビームの結合効率を変化させ、従って、センサ１０から返ってくる光のパワーを変化させる。このパワーの変化の測定は、摂動の大きさ（例えば、加えられる圧力の値）を提供し得る。周波数ｆ_ａでの動的な圧力について、原理は同じである。このとき、振動板３８は振動数ｆ_ａで振動し、返ってくる信号は、周波数ｆ_ａで変調され、測定は、圧力波の振幅及び周波数の両方を提供し得る。

特定の複数の実施形態において、反射器３０の領域３６の窪みの深さは、２つの反射される部分の間の予め選択された位相差を提供するよう選択される。窪みの深さの選択は、有利に、センサ１０の比較的簡単な製造を提供し得る。しかしながら、特定の他の複数の実施形態において、反射器３０の領域３６及び第１の部分３２の他の構造的な複数の特性（例えば、材料、複数の構造）は、２つの反射される部分の間の予め選択された位相差を提供するように選択され得る。例えば、領域３６、及び、第１の部分３２の一方又は両方が、領域３６から反射される光と、第１の部分３２から反射される光との間の予め選択される位相差を提供するよう、適切な材料を含む、適切なフォトニック結晶構造を有し得る。

本明細書で説明される、特定の複数の実施形態による、例示の反射器３０は、Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｆａｃｉｌｉｔｙで２μｍのデバイス層、及び、埋め込み酸化層を有する４インチ（１０．１６ｃｍ）のシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハ上に製造される。製造は、従来のクリーンルームの複数の技術、及び装置を利用した。特定のそのような複数の実施形態のセンサ１０は、その単純さ、かつ、物理的な寸法のより大きな許容値のため、複数のフォトニック結晶ＦＰセンサヘッド製造がより複雑でなく、より迅速なものとなり得る。製造された位相板の上面は、７ｎｍのクロム密着層、及び、１５ｎｍの金の層で被覆され、約７０％の測定値までそのパワーの反射率を増大している。

図２Ａ及び図２Ｂは、本明細書で説明される特定の複数の実施形態による、２つの例示的な反射器３０Ａ、３０Ｂ（例えば、シリコンオンインシュレータウェハから形成される）を概略的に図示している。図２Ａにおいて、例示の反射器３０Ａは、上面図（図２Ａの上部）、及び、図２Ａの上部の点線に沿った断面図（図２Ａの下部）により概略的に示されている。例示の反射器３０Ａは、可動部５０（例えば、反射器３０の第２の部分３４の振動板３８）、反射器３０の第１の部分３２を含む非可動部５２、及び、可動部５０と、非可動部５２とに機械的に連結される複数のバネ構造５４を有する。図２Ａの例示の反射器３０Ａが８つのバネ構造５４を含む一方、２、３、４、５、６、７、９、１０、あるいはそれより多いバネ構造５４を含む他の複数の反射器３０Ａも、本明細書で説明される特定の複数の実施形態と互換性がある。可動部５０と複数のバネ構造５４は、例示の反射器３０Ａへと切り込まれる（例えば、微細加工の複数の技術を使用して）複数のギャップ５６により、画定され得る（例えば、非可動部５２と離される）。例示の反射器３０Ａは、可動部５０が可動部５０（例えば、振動板３８）に略垂直な方向５８に並進させることにより振動するよう構成され、一方で、可動部５０は形状（例えば、平坦な）を概して保ち、一方で、複数のバネ構造５４は弾性的に伸び、動く。

図２Ｂにおいて、別の例示の反射器３０Ｂが、上面図（図２Ｂの上部）、及び、図２Ｂの上部の点線に沿った断面図（図２Ｂの下部）において概略的に示されている。例示の反射器３０Ｂは、可動部６０（例えば、反射器３０の第２の部分３４を含む振動板３８）、及び反射器３０の第１の部分３２を含む非可動部６２を有する。振動板３８は、振動板３８の境界線に沿って、反射器３０の第１の部分３２に（例えば、可動部６０に機械的に連結される非可動部６２の縁部６４によって）機械的に連結され得る。例示の反射器３０Ｂは、可動部６０が、並進によってではなく、可動部６０（例えば、振動板３８）に略垂直な方向６８に弾性的に前後に湾曲する（例えば、弾性的に伸びて移動する）ことにより振動させるよう構成され、それにより可動部６０の形状が変化する。振動していないとき、例示の反射器３０Ｂの可動部６０は、平坦な形状を有し得る。

特定の複数の実施形態において、例示の反射器３０Ａの可動部分５０は概して形状の歪みなしに並進し、例示の反射器３０Ａは可動部５０の応力に反応し易い特性とは独立に可動部５０のサイズと厚さとを選択する自由を、有利に提供する。従って、特定の複数の実施形態において、例示の反射器３０Ａを利用する音響センサ１０は、様々なビームサイズ及び圧力レベルの使用について最適化され得る。特定の複数の実施形態において、例示の反射器３０Ｂは例示の反射器３０Ａより単純な製造プロセスを有しているが、より低い光感度を有する。例示の反射器３０Ｂの可動部６０は、面に対し略垂直な方向に関して単に並進する代わりに湾曲するためである。

図３は、本明細書で説明される、特定の複数の実施形態による反射器３０の例示の製造プロセスを概略的に図示する。特定の複数の実施形態において、反射器３０の製造プロセスは、熱的酸化と、それに続くドライエッチングプロセス（例えば、複数のバネ構造５４を画定し、例示の反射器３０Ａの可動部５０を解放することを目的とする）とによる、デバイスを薄くする２つの段階を伴う。図３の例示の製造プロセスは、例示の反射器３０Ａの製造（例えば、複数のバネ構造５４の画定を含む）、及び、例示の反射器３０Ｂの製造（例えば、可動部６０の周囲に複数のバネ構造５４を画定しない）と互換性がある。プロセスは、例示の反射器３０Ａの製造プロセスを示すことに留意されたい。例示の複数の反射器３０Ｂは、複数のバネ構造５４がセンサ振動板３８の周囲に画定されないことを除いて、同じプロセスを使用して製造された。

図４は、本明細書で説明される特定の複数の実施形態による、４つのバネ構造５４を有する例示の反射器３０Ａを概略的に図示する。図４の左側は、例示の反射器３０Ａの断面図を示し、図４の右側は、例示の反射器３０Ａの上面図を示す。図４の右側に示される構造の左部分に沿った複数の穿孔７０が、製造の適切な段階で、ウェハの周囲の部分から、例示の反射器３０Ａを分離するのに使用され得る。例示の反射器３０Ａは、本明細書で説明される特定の複数の実施形態によると、様々なサイズ及び形状を有し得る。図４において、略円形な振動板３８は、複数のバネ構造５４（例えば、振動板３８が、振動板３８の平面に略垂直な方向に並進するよう、弾性的に歪む構成される４つの細長い構造）により周囲の非可動部５２（例えば、ウェハの周囲の部分）に機械的に連結される可動部５０を有する。様々な弾性コンプライアンスを有する、様々なサイズの複数の反射器３０Ａ、複数の振動板３８、及び、複数のバネ構造５４が、使用され得る。例えば、５つの異なる弾性コンプライアンス（バネ定数）を有する２つのサイズの振動板３８（半径ａ＝１２０μｍ、１４０μｍ）が同時に製造され得る。本明細書で説明される特定の複数の実施形態によると、振動板３８及び複数のバネ構造５４の他の複数のサイズ及び複数の形状、異なる数のバネ構造５４、異なる複数のバネ構造５４の複数の配置、複数のバネ構造５４の異なる弾性コンプライアンスが、使用され得る。

振動板３８が湾曲（例えば、可動部６０を使用して）するよう構成される例示の反射器３０Ｂについて、様々な形状、サイズ、及び厚さの振動板３８が使用され得る。例えば、反射器３０Ｂは、０．３μｍから１．５μｍ（例えば、０．４５μｍ、１．１μｍ）の間の範囲の厚さと、ａ＝１００μｍ、１１０μｍ、１２０μｍ、１３０μｍ、１４０μｍ、１５０μｍ、１６０μｍ、１７０μｍ、１８０μｍ、又は、１９０μｍの半径とを持つ、略円形の振動板３８を有し得る。本明細書で説明される特定の複数の実施形態による反射器３０Ｂの他の構造上のパラメータが、使用され得る。

本明細書に説明される特定の複数の実施形態による異なる複数の応用について、ＰＦＭセンサの感度及び使い易さを向上させるよう加えられ得る、多くの可能な変形が存在する。例えば、センサ表面で、異なる複数の種類の複数の反射器３０が実装され得る。感度は反射率に比例するため、センサ表面の反射率を最大化することが望ましいことであり得る。製造された例示のＰＦＭセンサにおいて、金のコーティングが、約７０％の反射率を実現すべく使用された。反射率は、銀、アルミニウム、及び誘電体のような、異なる複数の高反射性コーティングを使用することにより高められ得る。また、フォトニック結晶のバンドギャップ構造が、センサ振動板３８、及びセンサ表面の残りについて製造され得て、これは反射率を高められ得る（例えば、約９９％まで）。別の例について、振動板の形状は、円形の形状に限定されず、他の所望の複数の形状（例えば、長方形）で製造され得る。特定の複数の実施形態において、複数のバネ構造５４は、伸びるように構成される単純な細長い複数の構造であり得て、一方、特定の他の実施形態においては、他の複数のバネ構造５４（例えば、複数の渦巻きバネ、複数の折り返しバネ）が、可動部５０（例えば、センサ振動板３８）を懸架するのに使用され得る。特定の複数の実施形態において、図１Ｄにより概略的に図示されるセンサ１０の少なくとも１つのレンズ２６（例えば、ＧＲＩＮレンズ）は、ターゲットモードサイズにレーザビームをコリメートするように構成された１又は複数のレンズで置き換えられ得る。

図５Ａは、本明細書で説明される特定の複数の実施形態による例示のＰＦＭセンサ１０を概略的に図示し、図５Ｂは、本明細書で説明される特定の複数の実施形態による例示のＰＦＭセンサ１０の写真である。特定の複数の実施形態において、図５Ａに概略的に図示されるように、少なくとも１つの光導波路２０は、光ファイバ２５と、少なくとも１つのレンズ２６（例えば、市販の０．２３ピッチのＧＲＩＮレンズを含み得るコリメータ）と、少なくとも１つのチューブ７０と、少なくとも１つの光導波路２０に機械的に連結されるファイバピグテール付フェルール７６と、を備える。特定の複数の実施形態において、少なくとも１つのチューブ７０、及び、フェルール７６は両方ガラスで作成され得る。

特定の複数の実施形態において、例示のセンサを製造する例示の方法は、光線を放出するよう構成された光導波路２５を含むフェルール７６を内部に有する第１のチューブ７２を提供する段階を備える。更に、例示の方法は、少なくとも１つのレンズ２６を第１のチューブ７２へと挿入する段階を備え、少なくとも１つのレンズ２６の一部は、第１のチューブ７２の端部を過ぎて外側に延在し、少なくとも１つのレンズ２６は光導波路２５から放出される光線を受信するように構成される。更に、例示の方法は、第２のチューブ７４の第１の端部を、第１のチューブ７２の端部を過ぎて外側に延在する少なくとも１つのレンズ２６の一部に固着させる段階を備える。例示の方法は、光反射器３０を第２のチューブ７４の第２の端部の表面へ、固着する段階を更に備える。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態による例示の製造プロセス中、少なくとも１つのチューブ７０は、第１のチューブ７２、及び、第２のチューブ７４を有する。少なくとも１つのレンズ２６（例えば、ＧＲＩＮレンズ）、及び、フェルール７６は第１のチューブ７２の内部に挿入され得て、少なくとも１つのレンズ２６の一部は第１のチューブ７２の端部を過ぎて外側に延在する。フェルール７６と少なくとも１つのレンズ２６との間の距離７８は、少なくとも１つのレンズ２６から伝播するコリメートビームの半径を修正すべく調整され得る。例えば、図５Ｂに示されるセンサ１０は、第１のチューブ７２の端部から延在する少なくとも１つのレンズ２６から放出されるコリメートビームが、振動板３８の予定される位置で（例えば、少なくとも１つのレンズ２６の出力面から８ｍｍ離れている）、約６３０マイクロメートルの半径（例えば、半径ａ＝３８０μｍの振動板について最適サイズとなる）を有し得るように製造され得る。一度、ターゲットのビームサイズが得られる（例えば、機械的チョッパを使用して測定される）と、フェルール７６及び少なくとも１つのレンズ２６は第１のチューブ７２に接合（例えばエポキシを使用して）され得る。

次に、特定の複数の実施形態において、第２のチューブ７４は、第１のチューブ７２の端部を過ぎて外側に延在する少なくとも１つのレンズ２６の部分に固着（例えば、エポキシを使用して）され得る。次に、この中間のアセンブリは、鉛直に保持され得、反射器３０（例えばシリコン構造を有する）は、第２のチューブ７４の上部に配置され得る。この例示の方法は、反射器３０に対するビームの角度の調整が反射器３０の表面及び第２のチューブ７４の端部の平行性（例えば、第２のチューブ７４の長軸に±０．２度以内で垂直になるよう研磨され得る）により決定されることを保証し得る。一度、返ってくるパワーの測定により決定されるように、振動板３８とビームがよく位置合わせされると、小さな重量が反射器３０のシリコン位相板の上部に配置され得て、エポキシが第２のチューブ７４に反射器３０の位相板を接合するのに適用され得る。

図５Ａに概略的に図示されるように、組み立ての前に第２のチューブ７４の側面を通じて、少なくとも１つの通気口８０が作成され得る（例えば穿孔され得る）。特定のそのような複数の実施形態において、少なくとも１つの通気口８０は、第２のチューブ７４に含まれる媒質（例えば、空気、又は、ハイドロフォンの場合の水）の閉じられた容積の圧力と、第２のチューブ７４の外部の圧力とを等しくし得る。この少なくとも１つの通気口８０がない場合、含まれる容積の媒質の温度、又は、外部の静圧のいずれかの複数の変化は、振動板３８を変位させ、感度を変化させ得る。

音響センサの正規化感度Ｓ_Ｎは、任意の入射圧力に対する反射されるパワーの変化で定義され得て、センサに入射するレーザのパワーで正規化され得る。このとき、正規化感度Ｓ_Ｎは、振動板に渡って生じる差圧（音響応答Ｒ_ａ）、振動板の弾力性（機械的弾性コンプライアンスＣ_ｍ）、及び、光学的な感度（変位感度σ）の積に等しい。音響応答は、以前に報告されたもの（Ｗ．Ｊｏ、Ｏ．Ｃ．Ａｋｋａｙａ、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ、及びＭ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ著、"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｆｉｂｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｈｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ，"Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９，７８５−７９２（２０１３））と同一の複数のアプローチを使用して計算され得て、機械的弾性コンプライアンス（例えば、円形の振動板の）は、これまで導き出されている閉形式の表現（Ｓ．Ｐ．Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ及びＳ．Ｗｏｉｎｏｗｓｋｙ−Ｋｒｉｅｇｅｒ著、「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｐｌａｔｅｓ ａｎｄ Ｓｈｅｌｌｓ」（マグロウヒル、１９５９））を使用して表され得る。変位感度σは、導波路（例えば、シングルモードファイバのコア）への反射ビームの結合係数ｈから決定され得る。
式中Ｅ_０（ｒ）は、（正規化された）ファイバのＬＰ_０１モードの電場であり、ｒはファイバの円筒座標の動径方向であり（例えば、図１Ｂで定義されるように）、
は、ファイバの端部で集中された反射ビームの正規化された電場である。振動板の窪みによる反射場に与えられる部分的な位相面変調は、次式で表され得る。
式中、ａ及びｈ_０は、それぞれ窪みの半径及び深さであり、λは光の波長であり、ｈ（ｒ）は入射する音圧により与えられる振動板の微小な変位である。項φ_ｂ＝４πｈ_０／λは反射ビームの内側部分と外側部分との間の位相差（例えば、２波干渉計の位相バイアス）である。第２の項δφ（ｒ）＝４πｈ（ｒ）／λは入射圧力により誘導されるこの位相差の微小な摂動である。

圧力にさらされたとき、剛体変位される振動板３８（例えば、図２Ａに概略的に図示されるように）は、実質的に曲がることなく、振動板３８に垂直な方向に移動し、その結果、ｈもδφも動径位置ｒの関数とならない。圧力にさらされたとき、湾曲する振動板３８は（例えば、図２Ｂに概略的に図示されるように）単に振動板３８に垂直に移動するのではなく、実際に湾曲し、従って、ｈ及びδφの両方が動径位置ｒの関数になる。反射性の湾曲する振動板３８に渡る位相シフトの空間依存性、従って、結合係数及びその加えられる圧力への依存性を正確に計算すべく、湾曲する振動板３８の実際の外形ｈ（ｒ）が考慮に入れられ得る。境界線の動きが制約される均一な円形の膜について、この外形は次式で表され得る。
式中、ｈ_ｍは加えられる圧力に比例するピークの変位振幅である。変位感度は結合係数と以下で関連付けられる。

（数式（１）の）結合係数、及び、（数式（４）の）変位感度が数値的に計算され得る。しかしながら、感度の閉形式の表現は、また、デバイスの挙動への洞察を得るべく、導かれ得る。直接的な操作により、摂動ｈ_ｍの１次の次数までで、数式（１）は以下に書き換えられ得る。
式中、Ｉ_１、Ｉ_２及びＩ_３は反射場及びＬＰ_０１ファイバモード場を含む重なり積分である。Ｉ_３の場合、振動板のｒに依存した変位が次式で表され得る。
任意の振動板の半径ａについて、コリメートビームの半径Ｗ、及びファイバモードのスポットサイズＩ_１及びＩ_２は一定の数値を取り、変位の振幅ｈ_ｍに依存しない。摂動（振動板の変位）は、完全にＩ_３に含まれる。

数式（５）は、２波動干渉計について応答の古典的な形式を有する。変位感度（数式（４））は、ｈ_ｍに関する微分係数を取ることにより容易に計算され得て、次式を与える。

この結果は、例示の位相面変調センサの変位感度について簡単な表現を提供する。特に、センサは、微小変位に対して（従って、圧力に対しても）線形的に応答し、本明細書で提示されるように、２波干渉計で予想されるように、位相バイアスがφ_ｂ ＝ ４πｈ_０／λ ＝ π／２、あるいは、等価に窪みの深さがｈ_０ ＝ λ／８であるとき、変位感度は最大になることを提示する。変位感度の解析的表現（数式（７））は、広い範囲にビーム及び窪みの半径の複数の値に渡って数式（１）の数値的評価とよく一致する。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態による、この例示のＰＦＭセンサの変位感度は、以下の４つの条件が満たされるときに最大になることをこの結果は示し、複数のシミュレーションは合致している。すなわち、（１）窪みの深さがλ／８であること（振動板及び入射ビームの相対的なサイズとは独立である）、（２）振動板の半径が、ビーム半径の６４％（これは数式（７）の積Ｉ_２Ｉ_３を最大化する）であること、（３）位相板の反射率が１００％であること（これは、数式（６ａ）から（６ｃ）中の複数の積分における反射場Ｅ_ｒ（ｒ）の振幅を最大化する）、及び（４）位相板が、入射ビームに垂直であることである。

以前に開発されたＦＰベースの複数の音響センサと異なり２波干渉計であるので、本明細書で説明される特定の複数の実施形態のＰＦＭセンサは、調査する波長の選択にはるかにより影響を受けにくい点で有利であり得る。λ／８の窪みの深さに対し、波長は、感度がその最大値から１０％の減少をする前に約±λ／１０ｎｍの範囲で最適値から離調され得ることが数式（７）により容易に示され得る。これは、以前に開発されたＦＰベースの複数のセンサの限られた帯域幅（例えば、±０．５ｎｍ）と比較して、劇的な改善である。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態と互換性のある製造された位相板は、測定される振動板の半径３１０μｍ、厚さ１．１μｍ（走査電子顕微鏡で測定される）、窪みの深さ約５００ｎｍ（光形状測定器で測定される）を有した。この最後の値は、微細加工中に振動板が曲がるために、最適なターゲットの値（λ＝１５５０ｎｍで動作中にλ／８≒１９４ｎｍである）より大きくなる。位相板とコリメートビームとの間に残る角度のずれのため、予想されるパワーの半分のみがファイバに連結されて返され、これは２分の１の係数で変位感度を減少させる。

本明細書で説明されるモデルのこれらの複数の測定値の使用により、計算される弾性コンプライアンスＣ_ｍとして約８ｎｍ／Ｐａ、計算される変位感度としてσ≒３．４５×１０^５ｍ^−１ (１９４ｎｍの窪みの深さで得られるはずである値の７９％である)を与える。計算される音響応答Ｒ_ａ（これらの３つのパラメータのうち音響周波数に依存するただ１つのもの）によるこれらの２つの値を乗じることにより、図６に示される（「計算された」とラベルされる点線の曲線）予測される正規化感度のスペクトルを与える。感度は、約１００Ｈｚと約１０ｋＨｚとの間で均一である。この平坦な周波数帯において、正規化感度はＳ_Ｎ＝２．８×１０^−３Ｐａ^−１である。主に以下の理由のため、この値は、以前に開発されたＦＰベースのセンサにより計算される値（約０．１７Ｐａ^−１）より小さいことに留意されたい。（１）この新たなセンサは２波干渉計であること、（２）振動板がより小さく、より厚い、従って、弾性コンプライアンスがはるかにより小さい（約１１分の１の係数で）こと、及び（３）窪みの深さ（約５００ｎｍ）が理想的な値（例えば、１９６ｎｍ）より大きく、従って、σが、最適でないことである。図６で点線で表されたスペクトル（「ターゲットされた」とラベルされる）は、４つの条件全てが満たされた場合に期待され得る感度である。様々な製造誤差、及び、不整合が、予想される感度から約４．６分の１の係数での減少をもたらす。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態による例示のＰＦＭセンサの正規化感度及びノイズは、以前に説明されたセットアップ（Ｗ．Ｊｏ、Ｏ．Ｃ．Ａｋｋａｙａ、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ、及びＭ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ著、"Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｆｉｂｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ，"Ｏｐｔ．Ｆｉｂｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９，７８５−７９２（２０１３））に類似の設定を使用して無響チャンバで実験的に特徴を明らかにされた。広い帯域幅（１００Ｈｚから３０ｋＨｚの）を有する新たな音源（ＦＯＳＴＥＸ ＦＦ８５ＷＫ）が１００Ｈｚまでの低さの周波数に対するセンサ応答を測定すべくチャンバ内に設置された。センサと較正された参照マイク（Ｂｒuｅｌ及びＫｊａｅｒ社の４１１３）との両方からの複数の信号が、動的信号分析装置（ＨＰ３５６２Ａ）を使用して同時に記録された。これらの信号は、複数の測定の全周波数の範囲（１００Ｈｚから３０ｋＨｚの）に渡り、強いコヒーレンス（約１）を示した。感度を測定すべく、センサ信号が参照信号に対して較正され、次に、入力パワーＰ_ｉｎに対して正規化された。

測定される感度スペクトルが、図６に実線の曲線として表示されている（「測定された」とラベルされる）。「計算された」曲線により予測されるように、１００Ｈｚから約１０ｋＨｚに広がる広い帯域にわたって、相当に均一である。この平坦な帯域（１ｋＨｚ）の幾何学的に中間で測定される感度は、約２．４×１０^−３Ｐａ^−１であり、これは本明細書で説明される特定の複数の実施形態によるこの例示のＰＦＭセンサについて予測される値（図６における「計算された」曲線）とよく一致する。平坦な帯域でのこの微小な感度の差は、振動板に入射するビームの実際の半径と、振動板の半径についての理想的な半径（約６３０μｍ）との間のずれがわずかであることに起因する可能性が高い。

最低の最小検出可能圧力（ＭＤＰ）を実現する最適な光のパワーを探すべく、検出信号のトータルノイズに対応するパワーが、０．０１から１０ｍＷの範囲で検出されるパワーＰ_ｄｅｔについて１ｋＨｚで評価される様々なノイズの寄与を加えることにより、計算された（図７参照）。検出器のノイズに対応するパワー（４．９ｐＷ／√Ｈｚ）が製造業者のデータシートから得られた。レーザ強度のノイズは、レーザの知られているＲＩＮ（１ｋＨｚで−１４０ｄＢ／Ｈｚ）に検出されるパワーを乗じたものから計算される。振動板の熱機械的ノイズは、他に報告される等価電気機械回路モデル（Ｏ．Ｃ．Ａｋｋａｙａ、Ｍ．Ｊ．Ｆ．Ｄｉｇｏｎｎｅｔ、Ｇ．Ｓ．Ｋｉｎｏ、及び、Ｏ．Ｓｏｌｇａａｒｄ著、"Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｓｔａｂｌｅ ｈｉｇｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ，"Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔ．２１，１３４７−１３５６（２０１２））を使用して、計算された。図７は、約２０μＷより低い検出される複数のパワーについて、トータルノイズにおいて検出器のノイズが支配的となることを示す。約１００Ｗでは、トータルノイズにおいて、レーザ強度のノイズが支配的となり、検出されるパワーに比例して増大する。ショットノイズ（光学的及び電気的ノイズの両方）及び熱機械的ノイズは、全てのパワーレベルにおいて無視できる程度である。この例示のＰＦＭセンサで感度がより低いことと同じ理由で、熱機械的ノイズが支配的となる以前に開発されたＦＰベースのセンサと異なり、熱機械的ノイズは無視でき、これは、この例示のＰＦＭセンサが２波干渉計であるため、はるかに低いフィネスを有するということである。

例示のＰＦＭセンサのＭＤＰｐ_ｍｉｎは、定義により、ノイズパワーＰ_{ｎｏｉｓｅ}に等しい出力信号を誘導する圧力であり、これは次式で表され得る。
式中Ｐ_ｉｎは例示のＰＦＭセンサに入射するレーザのパワーである。この信号Ｐ_ｉｎは検出されるパワーに比例し、検出されるパワーの約１００μＷより高いノイズパワーである。従って、より大きな検出されるパワー（０．７ｍＷ）では、ＭＤＰは検出されるパワーに依存せず、その最低値となる。従って、最低のＭＤＰを実現すべく、例示のＰＦＭセンサは１ｍＷの検出されるパワーで動作させられる。

１ｋＨｚで、例示のＰＦＭセンサについて計算されるセンサノイズは、約０．１ｎＷ／√Ｈｚで、これは、以前に開発されたＦＰベースのセンサについて報告されるノイズより約１０倍低い。これは、例示のＰＦＭセンサにおいて、以前に開発されたＦＰベースのセンサで支配的であった熱機械的ノイズの除去に起因する。

音源をオフにされた状態で、例示のＰＦＭセンサのノイズパワースペクトル密度が測定された（図８における実線の曲線）。１ｋＨｚで、それは製造業者により提供されるレーザ強度のノイズとよく一致している（図８における黒い円）。支配的なノイズ源は例示のＰＦＭセンサから生じなかったことを検証すべく、同一の検出されるパワー（１ｍＷ）で固定された反射器（誘電体でコーティングされたファイバ）により例示のＰＦＭセンサを置き換えた後に、ノイズ測定が反復された。固定ミラーは、音響摂動に応答しないため、ノイズは、熱機械的ノイズを除いて、実際の例示のＰＦＭセンサと同じ寄与を有するものと予想された。固定ミラーを使用して測定されるノイズは、測定されるセンサノイズに、実際にほぼ一致（図８参照）し、予想通り、両方ともレーザ強度のノイズが支配的になる。

ＭＤＰはノイズパワースペクトル密度を較正されたセンサ応答で割ることで（Ｖ／Ｐａで）計算された。図９は、例示のＰＦＭセンサについて最低の測定されるＭＤＰが約２７ｋＨｚにおいて約２μＰａ／√Ｈｚであり、平均的なＭＤＰは１ｋＨｚと３０ｋＨｚとの間で約５．４μＰａ／√Ｈｚであることを示す。１ｋＨｚで、ＭＤＰは最善の以前に開発されたＦＰベースのセンサのもの（約４μＰａ／√Ｈｚ）より約４倍高い。これは、例示のＰＦＭセンサにおいて、ノイズは１０倍小さく、正規化感度は約６８倍小さく、入力パワーは約２倍大きいためである。これらの値を数式（２）に代入することにより、そのＭＤＰが、６８／１０／２＝３．４分の１の係数でより小さく予想されることを示すが、これは測定される約４の係数と矛盾しない。

１０ｋＨｚ近くで、両方のセンサのＭＤＰは同等になる。これは（１）例示のＰＦＭセンサは、高い周波数でＲＩＮがより小さく、従ってＭＤＰが２の係数で低いため、一層より低いノイズ（２分の１の係数で）を有し、（２）以前に開発されたＦＰベースのセンサはその周波数の周辺で共鳴することに起因してより高い熱機械的ノイズ（２分の１の係数で）を有し、従って、そのＭＤＰが２倍の係数でより高いためである。

更に、例示のＰＦＭセンサは、数多くの直接的な手段でその感度を向上させ、そのＭＤＰを下げるよう最適化され得る。振動板の厚さを１．１μｍの現在の値から、以前に開発されたＦＰベースのセンサと同一の厚さ（例えば、４５０ｎｍ）に薄くすることにより、Ｃ_ｍは約１４倍の係数で増加させられ得る（それは厚さの３次の次数に反比例するためである。）窪みの深さをターゲットの値（例えば、ｌ／８）に最適化することは、約１．３倍の係数で変位感度を増大させ得る。また、位相板の反射率は、例えば、フォトニック結晶に刻み込むことにより、約７０％から１００％近くまで増大させられ得る。これらの組み合わされた改善は、１ｋＨｚで、約０．５９μＰａ／√ＨｚのＭＤＰを与えることが予測され、これは最善の以前に報告されたＦＰベースのセンサについて報告される値（図９における「測定された」とラベルされる点線のスペクトル）より低い。光学的配列の改善は、センサの出力信号を増大させ、従って、正規化感度を増大させるであろう点に留意されたい。しかしながら、同様に、それは、ノイズがレーザＲＩＮにより制限される限り同一の比で、センサノイズを低減し、従って、ＭＤＰを改善しないであろう。

本明細書で説明されるように、本明細書で説明される特定の複数の実施形態により、最大の感度を達成するため、４つの条件が考慮され得る。すなわち、（１）窪みの深さがλ／８であること（振動板及び入射ビームの相対的なサイズとは独立して）、（２）振動板の半径が、ビーム半径の６４％であること（これは数式（７）の積Ｉ_２Ｉ_３を最大化する）、（３）位相板の反射率が１００％であること（これは、数式（６ａ）から（６ｃ）中の複数の積分における反射場Ｅ_ｒ（ｒ）の振幅を最大化する）、及び（４）位相板が、入射ビームに垂直であることである。条件（３）及び（４）は、光路における任意の損失が、センサの感度に直接的に影響するであろうことを示唆する。従って、位相板が１００％の反射率を有し、光路においてほとんど損失がないか、全く損失がないものと仮定すると、窪みの深さ、及び、入射ビームサイズに対する相対的な振動板の半径という最大の感度を決める２つのパラメータが存在する。

特定の複数の実施形態において、最適な動作条件は、複数の数値計算、又は、複数の解析的計算を使用して見出され得る。結合係数の数値的な表現（数式（１））を使用して、最適動作点が見出され得て、これは最大の変位感度σを与える。例えば、１５５０ｎｍの動作波長を使用して、σを計算する２つの変数が存在する。窪みの深さｈ_０及び比κ＝ｒ_ｄｉａ／ｗ_ｃｏｌであり、式中、ｒ_ｄｉａ及びｗ_ｃｏｌは、それぞれ、センサ振動板の半径及びコリメートビームウエストである。図１０Ａは、これらの２つの変数を変化させることによりもたらされる、数値的に計算された変位感度のプロットであり、図１０Ｂは、これらの２つの変数を変化させることによりもたらされる、解析的に計算される変位感度のプロットである。図１０Ａにおいて（複数の数値計算を使用して）、ｈ_０=１９３．７４ｎｍ及びκ=０．６４で、σの最大値が１．６１２５×１０^６ｍ^−１に等しい。図１０Ｂにおいて（複数の解析的計算を使用して）、ｈ_０=１９３．７５ｎｍ及びκ=０．６４で、σの最大値が１．６１１０×１０^６ｍ^−１に等しい。解析的計算と数値計算の両方が感度はｈ_０=１９３．７５ｎｍ及びκ=０．６４で最大であることを示す。図１１Ａは、固定値κ＝０．６４についての窪みの深さｈ_０の関数としての静止した静的な状態における結合係数（η_０）を図示する。図１１Ｂは、固定値κ＝０．６４についての窪みの深さｈ_０の関数としての変位感度σを図示し、ｈ_０＝λ／４で感度はゼロになる。図１１Ｃは、ｈ_０＝λ／８及びκ＝０．６４についての波長λの関数としての変位感度σを図示する。

本明細書で説明される特定の複数の実施形態は、極めて低い圧力で音波を検出する位相面変調の原理を初めて利用するコンパクトなファイバセンサを提供する。特定の複数の実施形態において、センサは、シリコンウェハで微細加工され、空間的なフィルタとして働くシングルモードファイバと組み合わさせられた、π／２の位相差を生じる反射性の振動板を利用して単純な干渉計センサヘッドを形成する。特定の複数の実施形態において、センサは、最新式の高感度の振動板ベースの複数のファイバファブリ・ペロー型センサについてのいくつかの利点を提示し得る。同一の振動板の寸法及び反射率についての２波干渉計として、それはより低い感度であり得るが、また、ノイズも同一の比で低いものであり得て、その結果、その最小の検出可能な歪み（あるいは、歪み分解能）が公称上同一となる。また、それは２波干渉計であるため、その感度が動作波長について非常に弱く依存し得て、感度が±１０％で減少し得るのに対して後者は±λ／１０で変化し得る。以前に開発されたＦＰベースのファイバ音響センサと異なり、特定の複数の実施形態において、組み立て中の代わりに微細加工中に、動作波長がセットされ得て、従って、はるかに低い臨界値を有することに加え、はるかにより再現性が高い。最終的に、特定の複数の実施形態において、クリーンルーム中でセンサヘッドを製造し、センサを組み立てるのがはるかにより容易、かつ、より迅速になる。

上で説明されるように、簡単な解析的表現が音圧に対するこのセンサの感度に使用され得る。本明細書で説明される特定の複数の実施形態による例示的なセンサの実験室レベルの試作品が、製造され、分析されたが、１ｋＨｚと３０ｋＨｚとの間の平均のＭＤＰとして、理論上のモデルと一致する５．４μＰａ／√Ｈｚの低さを有した。この数字を０．２μＰａ／√Ｈｚのレベルに下げる直接的な改善がなされ得る。特定の複数の実施形態において、センサは、生体内圧力モニタ、監視、地震研究、構造ヘルスモニタ、光音響イメージング、幹細胞研究、並びに、石油及びガス探査におけるセンサアレイネットワークの領域を含む、様々な領域での大きな可能性を有する。

様々な実施形態が上に説明された。本発明はこれらの特定の実施形態を参照して説明されているが、複数の説明は、例示の意図でなされており、限定する意図ではない。特許請求の範囲に定義される発明の真の思想及び範囲を逸脱することなく、様々な変更や応用を、この分野の当業者が思いつくことが可能である。

Claims (21)

1. １の方向に光を放出する少なくとも１つの光導波路と、
   前記少なくとも１つの光導波路に光学的に連結され、前記光の少なくとも一部を反射する、光反射器であって、
   前記少なくとも１つの光導波路に前記光の第１の部分を反射して返す、前記光反射器の第１の部分と、
   少なくとも１つの前記光導波路に前記光の第２の部分を反射して返す、前記光反射器の第２の部分と、を有する前記光反射器とを備え、
   前記光反射器の前記第２の部分は、前記光反射器の前記第１の部分に対して移動することにより摂動に応答し、前記光反射器の前記第２の部分が、摂動が存在しない平衡位置にあるときのπの整数倍に実質的に等しくない位相差で、前記光の反射される前記第２の部分は前記光の反射される前記第１の部分と位相において異なる、センサ。
2. 前記少なくとも１つの光導波路は、光ファイバを有する、請求項１に記載のセンサ。
3. 少なくとも１つの前記光導波路が、前記光ファイバからの前記光を受信し、前記光反射器の向かって前記光を送信する少なくとも１つのレンズを更に有する、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記少なくとも１つのレンズが、グレーデッドインデックスレンズを含む、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記少なくとも１つのレンズが、前記光ファイバから放出された前記光をコリメートし、前記光の反射された前記第１の部分及び前記光の反射された前記第２の部分を前記光ファイバに返す、請求項３または４に記載のセンサ。
6. 前記光を生成するレーザを更に備え、前記光は少なくとも１つの波長を有し、前記センサが、少なくとも１つの前記光導波路からの前記光の反射される前記第１の部分、及び、前記光の反射される前記第２の部分を受信する光信号分析装置を更に備える、請求項１に記載のセンサ。
7. 前記光反射器が、
   ウェハを有し、
   前記ウェハの第１の表面は前記光反射器の前記第１の部分を含み、
   前記光反射器の前記第２の部分は、前記方向に沿った前記光反射器の前記第１の部分からオフセットである振動板を含み、前記振動板は前記第１の表面によって囲まれる窪みの中にある、請求項１または６に記載のセンサ。
8. 前記振動板が、前記振動板を囲むウェハの複数の部分より薄い、請求項７に記載のセンサ。
9. 前記振動板が、前記摂動に応答して弾性的に変形可能である、請求項７または８に記載のセンサ。
10. 前記光が波長を有し、前記窪みが前記波長の１／８に実質的に等しい深さを有する、請求項７から９のいずれか１項に記載のセンサ。
11. 前記光が前記窪みの幅より大きい幅を有する、請求項７から１０のいずれか１項に記載のセンサ。
12. 前記光が前記窪みの幅より小さい、又は、等しい幅を有する、請求項７から１１のいずれか１項に記載のセンサ。
13. 前記光反射器が、前記光反射器の前記第１の部分と前記振動板とに機械的に連結される複数のバネ構造を有し、前記複数のバネ構造は、前記振動板が前記振動板に略垂直な方向に並進するように、弾性的に伸び、かつ動く、請求項７から１２のいずれか１項に記載のセンサ。
14. 前記振動板が、前記振動板の境界線に沿って前記ウェハに機械的に連結され、前記振動板が前記振動板に略垂直な方向に、弾性的に前後に湾曲する、請求項７から１３のいずれか１項に記載のセンサ。
15. 前記位相差がπ／２の奇数倍に実質的に等しい、請求項１から１４のいずれか１項に記載のセンサ。
16. 前記位相差が、以下の複数の範囲のうちの少なくとも１つの大きさ、すなわち、実質的に０より大きく実質的にπより小さい範囲、実質的にπより大きく実質的に２πより小さい範囲、及び、実質的に２πより大きく実質的に３πより小さい範囲、実質的に０より大きくπ／２より小さいか等しい範囲、π／２より大きいか等しく実質的にπより小さい範囲、実質的にπより大きく３π／２より小さいか等しい範囲、３π／２より大きいか等しく実質的に２πより小さい範囲、実質的に２πより大きく５π／２より小さいか等しい範囲、５π／２より大きいか等しく実質的に３πより小さい範囲を有する、請求項１から１５のいずれか１項に記載のセンサ。
17. センサを製造する方法であって、
    第１のチューブの内部にフェルールを有する前記第１のチューブを提供する段階であって、前記フェルールが光線を放出する光導波路を含む段階と、
    少なくとも１つのレンズを前記第１のチューブへと挿入する段階であって、少なくとも１つの前記レンズの一部は前記第１のチューブの端部を過ぎて外側へ延在し、少なくとも１つの前記レンズは前記光導波路から放出される前記光線を受信する段階と、
    第２のチューブの第１の端部を、前記第１のチューブの前記端部を過ぎて外側へ延在する少なくとも１つの前記レンズの前記一部へ固着させる段階と、
    光反射器を前記第２のチューブの第２の端部の表面へ固着させる段階とを備える、方法。
18. 少なくとも１つの前記レンズから伝播するコリメート光線の半径を変化させるべく、前記フェルールの前記光導波路と、少なくとも１つの前記レンズとの間の距離を調整する段階を、更に備える請求項１７に記載の方法。
19. 前記フェルール及び少なくとも１つの前記レンズを前記第１のチューブに接合させる段階を更に備える請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２のチューブの前記第２の端部の前記表面が、±０．２度以内で前記第２のチューブの長軸に対し垂直である、請求項１７に記載の方法。
21. 前記第２のチューブの側面を通じて、少なくとも１つの通気口を形成する段階を更に備える、請求項１７または２０に記載の方法。